圆柱壳体振动陀螺阻尼不均匀性分析及其修调方法研究

发布时间：2020-07-30 00:22

【摘要】：圆柱壳体振动陀螺具有测量精度高、加工难度大、成本低、能耗小等一系列优点,逐渐成为波动陀螺领域的重要研究方向。高品质的圆柱壳体谐振子对于陀螺的性能至关重要,但由于材料不均匀和加工误差的存在,谐振子会出现频率裂解和阻尼不均匀性等缺陷。频率裂解可以通过机械修调或者闭环反馈控制进行消除,但阻尼不均匀性对陀螺的影响一般无法通过修调或者闭环控制进行有效去除。陀螺工作在力平衡模式下时,其主要的漂移误差来源于阻尼不均匀性,但目前对于阻尼不均匀性及其修调方法的研究相对比较匮乏。因此本文针对圆柱壳体谐振子的阻尼不均匀性,探究了其基本理论及影响,基于Q值圆周分布分析了阻尼不均匀性,研究了压电电极对谐振子阻尼特性的影响,提出了阻尼不均匀性修调方案,主要有以下几项内容:1.概述了圆柱壳体振动陀螺的结构及工作原理,建立了圆柱壳体谐振子的误差模型和动力学模型,并且分析了在开环模式和力平衡模式下的阻尼不均匀性对陀螺性能的影响。2.基于圆柱壳体谐振子的Q值圆周分布对其阻尼不均匀性进行分析,简要介绍了阻尼不均匀性的来源,并且分析了通常用于测量谐振子Q值的幅频响应法的缺陷,同时建立了圆柱壳体谐振子的理论模型,从理论上分析了谐振子Q值圆周分布规律,最后通过设计实验进行了验证。3.分析和归纳了压电电极对谐振子阻尼特性的影响规律,首先建立了谐振子-粘结层-压电电极耦合系统的动力学模型,并且分析了影响压电电极和粘结层能量损耗的因素,然后利用有限元模型分析了粘结层和压电电极参数对谐振子阻尼特性的影响,最后设计实验对有限元仿真结果进行了验证。4.分析了压电材料的阻尼特性,建立了圆柱壳体谐振子阻尼不均匀性修调的理论模型,并且利用有限元方法仿真了压电电极阻尼不均匀性修调的方向性,归纳了修调时阻尼变化的规律,最后基于理论分析提出了正向修调和逆向修调两种阻尼不均匀性修调方案,并且进行了相应的实验验证。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH824.3
【图文】：

半球谐振陀螺,陀螺理论,固体,美国

图 1.1 美国诺斯罗普·格鲁门公司生产的半球谐振陀螺国从上世纪 60 年代就开始对固体波动陀螺理论进行研究，并于 70 年代品研制阶段。当时主要研究的是半球谐振陀螺，其研制过程从最初的“蘑杯”形，到“双基”形，最后采用双芯柱支撑的“双基”形谐振子，大陀螺的稳定性。之后开始了漫长的陀螺性能改进阶段，并且在此过程中研新型结构的固体波动陀螺，高精度的固体波动陀螺已经成功应用于军事、要领域，代表了固体波动陀螺的最高水平[13]。国通用电气航空电子设备有限公司(GEC 和 Marconi 合并)在 20 世纪 80

圆柱壳体,陀螺,谐振环

国防科技大学研究生院硕士学位论文系列振动陀螺是英国航天公司和日本住友精密工业公司合作的产品，其基本结构为中心对称的振动圆筒陶瓷杯外挂 8 片压电硅片。其主要产品为 CRS03，压电电极直接粘贴于谐振环，一方面可以增大陀螺的增益，但另一方面也会导致谐振环质量不均匀，并且对谐振环的阻尼影响较大，其零偏稳定性为 10 /s，主要应用于精度要求不高的低成本场合。Watson 公司以压电陶瓷材料为基体制造过一种圆柱形振动陀螺[15]，该陀螺的谐振子体积小，能够实现器件级真空封装。如图 1.2(b)所示，其 VSG-E 型陀螺零偏稳定性为 0.1 s，分辨率为 0.025 /s，压电材料的加工误差及其晶粒缺陷导致了其阻尼较大并且分布不均匀，精度难以进一步提升[16]。

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(a) START 筒形波动陀螺 (b) Watson 公司的圆筒形陀图 1.2 早期的圆柱壳体陀螺期的圆柱壳体陀螺精度较低，主要的误差来源于谐振子的材料不均及不成熟的陀螺控制技术，但是其以结构简单、低成本等优势吸引了构和公司。其中最具有代表性的就是美国的 Innalabs 公司，该公司柱壳体振动陀螺由经过热处理的弹性合金材料制成，具有高品质因度系数等优点。Innalabs 公司在圆柱壳体振动陀螺控制技术上实现了制和多参数零偏补偿，有效提升了陀螺的精度[17]。08 年，Innalabs 公司公布了一系列不同参数的金属圆筒陀螺并且分析别。由研究得知陀螺的阻尼特性主要受谐振子金属材料的影响，同时处理、化学处理以及结构设计和环境对于陀螺的阻尼特性均有较大nalabs 公司主要通过谐振子材料选择，设计参数优化和热处理工艺提阻尼特性，得到了较高 Q 值的谐振子。同时为了提高陀螺的性能，大小，其正在研制高 Q 值、低阻尼特性的石英圆筒形振动陀螺[19]。如金属圆筒陀螺的产品图，图 1.3(b)所示为 Innalabs 公司未来发展的石动陀螺。

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